We study the big-bang nucleosynthesis (BBN) with the long-lived exotic particle, called $X$. If the lifetime of $X$ is longer than $\ensuremath{\sim}0.1\text{ }\text{ }\mathrm{sec}$, its decay may cause nonthermal nuclear reactions during or after the BBN, altering the predictions of the standard BBN scenario. We pay particular attention to its hadronic decay modes and calculate the primordial abundances of the light elements. Using the result, we derive constraints on the primordial abundance of $X$. Compared to the previous studies, we have improved the following points in our analysis: The JETSET 7.4 Monte Carlo event generator is used to calculate the spectrum of hadrons produced by the decay of $X$; the evolution of the hadronic shower is studied taking into account the details of the energy-loss processes of the nuclei in the thermal bath; we have used the most recent observational constraints on the primordial abundances of the light elements; in order to estimate the uncertainties, we have performed the Monte Carlo simulation which includes the experimental errors of the cross sections and transferred energies. We will see that the nonthermal productions of D, $^{3}\mathrm{He}$, $^{4}\mathrm{He}$, and $^{6}\mathrm{Li}$ provide stringent upper bounds on the primordial abundance of a late-decaying particle, in particular, when the hadronic branching ratio of $X$ is sizable. We apply our results to the gravitino problem, and obtain an upper bound on the reheating temperature after inflation.

Various lepton-flavor violating (LFV) processes in the supersymmetric standard model with right-handed neutrino supermultiplets are investigated in detail. It is shown that large LFV rates are obtained when $\tan \beta $ is large. In the case where the mixing matrix in the lepton sector has a similar structure as the Kobayashi-Maskawa matrix and the third-generation Yukawa coupling is as large as that of the top quark, the branching ratios can be as large as $Br(\mu\rightarrow e\gamma)\simeq 10^{-11}$ and $Br(\tau\rightarrow\mu\gamma)\simeq 10^{-7}$, which are within the reach of future experiments. If we assume a large mixing angle solution to the atmospheric neutrino problem, rate for the process $\tau\rightarrow\mu\gamma$ becomes larger. We also discuss the difference between our case and the case of the minimal $SU(5)$ grand unified theory.

The cosmological moduli problem is discussed in the framework of sequestered sector/anomaly-mediated supersymmetry (SUSY) breaking. In this scheme, the gravitino mass (corresponding to the moduli masses) is naturally 10 - 100 TeV, and hence the lifetime of the moduli fields can be shorter than $\sim 1 sec$. As a result, the cosmological moduli fields should decay before big-bang nucleosynthesis starts. Furthermore, in the anomaly-mediated scenario, the lightest superparticle (LSP) is the Wino-like neutralino. Although the large annihilation cross section means the thermal relic density of the Wino LSP is too small to be the dominant component of cold dark matter (CDM), moduli decays can produce Winos in sufficient abundance to constitute CDM. If Winos are indeed the dark matter, it will be highly advantageous from the point of view of detection. If the halo density is dominated by the Wino-like LSP, the detection rate of Wino CDM in Ge detectors can be as large as $0.1 - 0.01$ event/kg/day, which is within the reach of the future CDM detection with Ge detector. Furthermore, there is a significant positron signal from pair annihilation of Winos in our galaxy which should give a spectacular signal at AMS.

Cosmological constraints when the gravitino is the lightest superparticle are studied. From the condition that the relic gravitinos should not overclose the universe, the upper bound on the reheating temperature of the universe is found to be 102–1010 GeV in a range of gravitino mass 10−5–10 GeV. Furthermore, if the decay of the next-to-the-lightest superparticle produces sizable high energy photons, constraints from the light element (D, 3He, 4He) photodestruction exclude a range of the gravitino mass.

The muon anomalous magnetic dipole moment (MDM) is calculated in the framework of the minimal supersymmetric standard model (MSSM). In this paper, we discuss how the muon MDM depends on the parameters in the MSSM in detail. We show that the contribution of the superparticle loop becomes significant especially when $tan\ensuremath{\beta}$ is large. Numerically, it becomes of order ${10}^{\ensuremath{-}8}$-${10}^{\ensuremath{-}9}$ in a wide parameter space, which is within the reach of the new Brookhaven E821 experiment.

We analyze focus points in supersymmetric theories, where a parameter's renormalization group trajectories meet for a family of ultraviolet boundary conditions. We show that in a class of models including minimal supergravity, the up-type Higgs mass parameter has a focus point at the weak scale, where its value is highly insensitive to the universal scalar mass. As a result, scalar masses as large as 2 to 3 TeV are consistent with naturalness, and all squarks, sleptons and heavy Higgs scalars may be beyond the discovery reaches of the CERN Large Hadron Collider and proposed linear colliders. Gaugino and Higgsino masses are, however, still constrained to be near the weak scale. The focus point behavior is remarkably robust, holding for both moderate and large $\mathrm{tan}\ensuremath{\beta},$ any weak scale gaugino masses and A parameters, variations in the top quark mass within experimental bounds, and for large variations in the boundary condition scale.

For a top quark mass fixed to its measured value, we find natural regions of minimal supergravity parameter space where all squarks, sleptons, and heavy Higgs scalars have masses far above 1 TeV and are possibly beyond the reach of the Large Hadron Collider at CERN. This result is simply understood in terms of ``focus point'' renormalization group behavior and holds in any supergravity theory with a universal scalar mass that is large relative to other supersymmetry breaking parameters. We highlight the importance of the choice of fundamental parameters for this conclusion and for naturalness discussions in general.

We derive big-bang nucleosynthesis (BBN) constraints on both unstable and stable gravitino taking account of recent progress in theoretical study of the BBN processes as well as observations of primordial light-element abundances. In the case of unstable gravitino, we set the upper limit on the reheating temperature assuming that the primordial gravitinos are mainly produced by the scattering processes of thermal particles. For stable gravitino, we consider $B$-ino, stau, and sneutrino as the next-to-the-lightest supersymmetric particle and obtain constraints on their properties. Compared with the previous works, we improved the following points: (i) we use the most recent observational data, (ii) for gravitino production, we include contribution of the longitudinal component, and (iii) for the case with unstable long-lived stau, we estimate the bound-state effect of stau accurately by solving the Boltzmann equation.

Low-energy Compton scattering is an important background for sub-GeV dark matter direct-detection and other experiments. Current Compton scattering calculations typically rely on assumptions that are not valid in the low-energy region of interest, beneath ∼50  eV. Here we relate the low-energy Compton scattering differential cross section to the dielectric response of the material. Our new approach can be used for a wide range of materials and includes all-electron, band-structure, and collective effects, which can be particularly relevant at low energies. We demonstrate the strength of our approach in several solid-state systems, in particular, Si, Ge, GaAs, and SiC, which are relevant for current and proposed experiments searching for dark matter, neutrinos, and millicharged particles. Published by the American Physical Society 2024

We revisit the decay rate of the electroweak vacuum in the standard model with the full one-loop prefactor. We focus on the gauge degrees of freedom and derive the degeneracy factors appearing in the functional determinant using group theoretical arguments. Our treatment shows that the transverse modes were previously overcounted, so we revise the calculation of that part of the prefactor. The new result modifies the gauge fields’ contribution by 6% and slightly decreases the previously predicted lifetime of the electroweak vacuum, which remains much longer than the age of the Universe. Our discussion of the transverse mode degeneracy applies to any calculation of functional determinants involving gauge fields in four dimensions. Published by the American Physical Society 2025